[发明专利]一种以立方体氧化亚铜为模板制备碳笼和氮掺杂碳笼的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，更具体地说是涉及利用立方体氧化亚铜作模板制备碳笼和氮掺杂碳笼的方法。

背景技术

氧化还原反应的缓慢动力学是限制燃料电池电化学能量转化效率方面一个非常重要的因素，因此提高氧化还原反应催化剂的效率受到了广泛的重视。Pt及其合金由于其所具有低超电势和高电流密度一直以来都被认为是最有效的氧化还原反应催化剂。然而，因为Pt及其合金高成本、低产量、易甲醇中毒和稳定性差限制了其在实际商业生产中的应用。因此，探索高效、性能稳定和低成本的非贵金属或者无金属的催化剂用以代替Pt基催化剂材料具有重要商业价值与意义，相关研究亦得到广泛的关注。

近年来，各种各样的碳材料（如碳纳米管、石墨烯及石墨）因其具有独特的物理化学性质在阴极氧气还原反应中已经被广泛研究，认为是一类非常优异的无金属催化剂，很有可能代替Pt材料催化剂。事实上，为进一步提高碳材料催化剂的催化活性，一个非常有效的方法是引入杂原子（如N、S、P、B等）代替部分碳原子。例如，氮掺杂碳材料因为氮元素的电负性比碳元素高而拥有大量的正电荷位点，而这有利于提高材料本身的氧吸附性，进而提高了碳材料氧气还原反应活性。事实上，在提高氧化还原反应活性方面，通过杂原子掺杂碳材料被认为是一种有效而普遍的方法。

碳纳米笼，一种典型的碳材料，具有石墨碳壳和内部中空的结构。最近研究发现，碳纳米笼由于具有低的电流密度、高比表面积和优异的电导率而在锂电池、超级电容器、燃料电池等领域具有优异的性能和良好的应用前景。电弧放电法，激光放射法和化学气相沉淀法都被用于合成碳纳米笼，然而，这几种方法都因为具有反应条件苛刻、仪器复杂、成本高昂等原因无法大规模合成严重限制了碳纳米笼的研究。《材料化学杂志》（Journal of Materials Chemistry,2011年21期5443页）报道了利用高温热解法制备氮掺杂碳纳米笼，但是设备特殊和条件限制严格无法大量生产氮掺杂碳纳米笼。《先进材料》（Advanced Materials,2012年24期5593页）报道了利用含氮前驱体在高温下制备氮掺杂型碳纳米笼，但是其反应条件苛刻和成本高昂难以实现氮掺杂碳纳米笼的实际应用。因此，为了提高此材料的实际应用，急需一种新的低成本的能大量制备碳笼和氮掺杂碳纳米笼材料的方法。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种以立方体氧化亚铜为模板制备碳笼与氮掺杂碳笼的方法，以期可以降低其制备成本、简化其工艺。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明以立方体氧化亚铜为模板制备碳笼的方法，其特点在于按以下步骤进行：

a、将立方体氧化亚铜加入到葡萄糖溶液中，并通过超声使其分散均匀，获得分散液；

b、将所述分散液进行水热反应；

c、对完成水热反应的分散液进行离心，去除上清液，获得碳包覆的氧化亚铜；

d、将所述碳包覆的氧化亚铜加入到稀硝酸溶液中，静置，离心，洗涤，然后烘干，即得碳笼。

优选的步骤a中所用的葡萄糖溶液的质量分数为1％～5％；步骤a中所用的立方体氧化亚铜与葡萄糖溶液中葡萄糖的质量比为1：10～50。

本发明以立方体氧化亚铜为模板制备氮掺杂碳笼的方法，其特点在于按以下步骤进行：

a、将立方体氧化亚铜加入到氨基葡萄糖盐酸盐溶液中，并通过超声使其分散均匀，获得分散液；

b、将所述分散液进行水热反应；

c、对完成水热反应的分散液进行离心，去除上清液，获得碳包覆的氧化亚铜；

d、将所述碳包覆的氧化亚铜加入到稀硝酸溶液中，静置，离心，洗涤，然后烘干，即得氮掺杂碳笼。

优选的，步骤a中所用的氨基葡萄糖盐酸盐溶液的质量分数为1％～5％；步骤a中所用的立方体氧化亚铜与氨基葡萄糖盐酸盐溶液中氨基葡萄糖盐酸盐的质量比为1：10～50。

优选的，步骤a所述的立方体氧化亚铜是按如下方法进行制备：

a1、将氢氧化钠溶液滴加到氯化铜溶液中，搅拌得到悬浊液；

a2、向a1所得的悬浊液中加入抗坏血酸溶液，搅拌得到棕黄色浆料；

a3、对a2所得的棕黄色浆料离心，去除上清液，对沉淀进行洗涤，得到棕黄色粉末，即为立方体氧化亚铜。

步骤b所述水热反应的温度为80℃～220℃，时间为3h～24h。

步骤d所述稀硝酸溶液的物质的量浓度为1mol/L～8mol/L，所述静置的时间为2h～12h。